基于ADCIRC模式的寧波沿海風(fēng)暴潮預(yù)報

李歡，周天逸，張麗芬

(1.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司, 上海200061;2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司,上海200092)

風(fēng)暴潮是一種災(zāi)害性自然現(xiàn)象，中國是世界上受風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一[1]。寧波市位于中國東海之濱，臺風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)暴潮每年都給寧波市沿海造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，自1949年以來，共有超過120個熱帶氣旋不同程度地對寧波造成影響，其中達(dá)到黃色預(yù)警級別的風(fēng)暴潮增水過程年均有0.5個，達(dá)到橙色及以上預(yù)警級別的平均5 a出現(xiàn)一次[4-5]。歷史上，8114號臺風(fēng)在寧波直接登陸，臺風(fēng)形成的暴雨、強(qiáng)風(fēng)、高潮位造成了20多萬公頃農(nóng)田受災(zāi)，26 600多間房屋損壞倒塌，江堤、海塘決口多達(dá)2 198處，人員傷亡141人[6]。1323號“菲特”臺風(fēng)造成寧波11個縣(市)區(qū)、139個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度受災(zāi)，受災(zāi)人口137.5萬人[7]。

不少學(xué)者對包括寧波海域的東海風(fēng)暴潮進(jìn)行了模擬與研究，但專門針對寧波海域沿岸的風(fēng)暴潮進(jìn)行模擬與分析的研究較少。金秋等[8]建立了寧波沿海風(fēng)暴潮增水模型，但模型只計算增水預(yù)報，未疊加有天文潮數(shù)值。張?jiān)孪嫉萚9]建立了浙江省溫臺海域的風(fēng)暴潮數(shù)值模式，模型范圍涵蓋了整個東中國海，但沒有對研究區(qū)域建立專門的精細(xì)化模型，且所得的后報模擬過程曲線與實(shí)測過程曲線存在較大誤差。胡仁飛等[10]進(jìn)行了寧波海域近海臺風(fēng)風(fēng)暴潮最大可能增水模擬研究，其采用了三角網(wǎng)格的形式，但網(wǎng)格分辨率較低，對于寧波海域復(fù)雜海島地形岸線的勾畫仍有欠缺。因此本文著重對于寧波近海海域的精細(xì)化天文潮、風(fēng)暴潮耦合預(yù)報技術(shù)進(jìn)行研究。

1 精細(xì)化數(shù)值模型建立

寧波具有漫長的海岸線，港灣曲折，島嶼星羅棋布，為了滿足寧波海域復(fù)雜岸線和分辨率的要求，數(shù)值模式采用了目前廣泛應(yīng)用的ADCIRC水動力模型[11]。該模型可集中關(guān)注天文潮和風(fēng)暴潮的相互作用，廣泛應(yīng)用于潮汐和風(fēng)暴潮預(yù)報中[12]。

1.1 研究區(qū)域與網(wǎng)格的劃分

在風(fēng)暴潮模擬中，計算區(qū)域越大，水邊界就越準(zhǔn)確，計算得到的風(fēng)暴潮數(shù)值也就越準(zhǔn)確。但對于近海地區(qū)而言，海岸的形狀勾勒和水深對風(fēng)暴潮計算的影響也很大[13]，同時考慮到模型計算的時效性，因此本文天文潮、風(fēng)暴潮耦合數(shù)值模型由2部分構(gòu)成：東中國海天文潮、風(fēng)暴潮耦合模型；寧波近海天文潮、風(fēng)暴潮耦合模型。

1.1.1東中國海天文潮、風(fēng)暴潮耦合預(yù)報模型

東中國海天文潮、風(fēng)暴潮耦合預(yù)報模型范圍見圖1。模型覆蓋整個東中國海區(qū)域，范圍為117.0～ 130.9°E，23.4～ 41.1°N。網(wǎng)格分辨率為0.1°。外海邊界處的潮位由多年的調(diào)和常數(shù)預(yù)報。該模型為寧波近海精細(xì)化天文潮、風(fēng)暴潮耦合預(yù)報模型提供外海邊界條件。

1.1.2寧波近海天文潮、風(fēng)暴潮耦合預(yù)報模型

該模型研究區(qū)域覆蓋了整個寧波海域，即北至北緯30.9°包含杭州灣，南至北緯28.9°，包含三門灣海域以南，東至東經(jīng)123°，西至東經(jīng)120.5°。外海取至超40 m等深線的海域，整個計算域涵蓋了寧波海域的兩港一灣。采用最新的水下地形資料，構(gòu)建計算域的水下地形數(shù)據(jù)，模型計算范圍及水深見圖2。

圖1 東中國海天文潮、風(fēng)暴潮模型范圍

圖2 寧波天文潮、風(fēng)暴潮耦合模型計算范圍及水深

模型計算域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格離散，對近海岸線、島嶼復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行局部加密，實(shí)現(xiàn)了模型的高分辨率，因而近海風(fēng)暴潮潮位的計算精度可以得到保障[14]。模型網(wǎng)格總數(shù)87 868個，節(jié)點(diǎn)共46 675個，最小單元長度200 m，模型整體網(wǎng)格布置見圖3，同時為了更好地展示沿海精細(xì)網(wǎng)格，將旗門港外海域局部放大，見圖4。

圖3 模型計算域網(wǎng)格布置

圖4 模型計算域網(wǎng)格局部放大

1.2 控制方程

采用ADCIRC二維模型在笛卡爾坐標(biāo)系下通過基于垂直平均的原始連續(xù)方程和海水動量方程來求解自由表面起伏、二維流速等3個變量，即(ζ,u,v)。其中，在笛卡爾坐標(biāo)系下海水的連續(xù)方程為：

(1)

在笛卡爾坐標(biāo)系下海水原始動量方程為：

(2)

(3)

海表面風(fēng)切應(yīng)力：

式中S——緯度和網(wǎng)格計算區(qū)域中心點(diǎn)緯度的余弦值之比；t——時間；(x,y)——水平笛卡爾坐標(biāo)；H=ζ+h——海水水柱的總水深；ζ——從平均海平面起算的自由表面高度；h(x,y)——未擾動海洋水深，即平均海平面至海底的距離；R——地球的半徑，文中取6 378 135 m；(U,V)——深度平均的海水水平流速；f=2Ωsinφ——科氏參數(shù)，Ω為地球的自轉(zhuǎn)角速度；g——重力加速度；ρ0——海水密度，1 025 kg/m3；ps——海水自由表面的大氣壓強(qiáng)；η——牛頓引潮勢；τsx、τsy——海表面風(fēng)切應(yīng)力的x和y方向分量；Wx、Wy——風(fēng)速的x、y分量；Cd——風(fēng)拖曳系數(shù)；τbx、τby——海底摩擦力的x和y方向分量，底摩擦τbx=Uτ*，τby=Vτ*，其中采用二次式時，τ*=Cf(U2+V2)2/H，Cf為底摩擦系數(shù)；Dx、Dy——動量方程的水平擴(kuò)散項(xiàng)。

1.3 初始條件和邊界條件

初始條件：

(4)

ζ(x,y,0)=ζ0(x,y)

(5)

式中ζ0——由臺風(fēng)氣壓降引起的海面靜壓升高。

對于風(fēng)暴潮和天文潮的耦合，采用的是在計算域和開邊界處，同時考慮天文潮和臺風(fēng)的作用。天文潮的作用是通過在邊界上提供主要分潮作為主要驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)。本文中，陸邊界法向流速取為0，外海開邊界條件由區(qū)域大模型提供。

臺風(fēng)的作用是通過上述的臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓模型提供計算域內(nèi)和開邊界上的風(fēng)，按照靜壓假設(shè)和自由表面邊界條件作用在水體上面。

1.4 臺風(fēng)風(fēng)場

1.4.1氣壓模式

臺風(fēng)區(qū)域氣壓分布采用高橋模式[15]：

(6)

式中P∞——臺風(fēng)外圍氣壓；P0——臺風(fēng)中心氣壓，ΔP=P∞-P0；r——計算點(diǎn)至臺風(fēng)中心的距離；R0——臺風(fēng)參數(shù)，可取最大風(fēng)速半徑，km。

最大風(fēng)速半徑是臺風(fēng)模型的關(guān)鍵參數(shù)之一，其精確與否直接關(guān)系到臺風(fēng)中心周圍臺風(fēng)場的計算精度，本文采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

R0=mVmax

(7)

其中，m為常數(shù)，因臺風(fēng)發(fā)生區(qū)域不同而不同，本文選取寧波海域1997年之后的臺風(fēng)觀測資料率定。

1.4.2風(fēng)場模式

在直角坐標(biāo)系上，將臺風(fēng)的移動速度和梯度風(fēng)速分解為相應(yīng)的坐標(biāo)分量。當(dāng)氣壓取高橋公式、流入角為20°時，計算域上任一點(diǎn)風(fēng)速的東分量(x向)和北分量(y向)為：

(0.342·x+0.940·y)·103

(8)

(0.940·x-0.342·y)·103

(9)

圖5是對西澤站9711號臺風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向的驗(yàn)證結(jié)果，效果顯示較好。

a)風(fēng)速比較

b)風(fēng)向比較圖5 西澤站9711號臺風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向模擬值與實(shí)測值比較

2 模型驗(yàn)證

寧波市每年都會受到臺風(fēng)的影響，采用已建立的天文潮、風(fēng)暴潮耦合模型，對影響寧波近海海域有代表性的臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬計算。本文對影響研究區(qū)域的8場臺風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，臺風(fēng)路徑可見圖6，文中提供所用到實(shí)測數(shù)據(jù)的寧波各大水文測站位置見圖7。由于篇幅所限，同時根據(jù)臺風(fēng)對寧波海域影響的嚴(yán)重程度，本文對1509號臺風(fēng)進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證比對，其余7場僅列出了模擬最高潮位和實(shí)測最高潮位的比對(表1)。

圖6 典型臺風(fēng)路徑

圖7 寧波水文測站位置

1509號“燦鴻”臺風(fēng)路徑見圖6，其于2015年6月30日20時在西北太平洋洋面上生成，7月11日16時40分，“燦鴻”以強(qiáng)臺風(fēng)級別在浙江省舟山朱家尖登陸，登錄時中心附近最大風(fēng)力有14級。導(dǎo)致寧波市109個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，60.5萬人口受災(zāi)，損壞堤防243處共計72公里，堤防決口40處，損壞海塘3處、護(hù)岸237處。寧波全市遭受直接經(jīng)濟(jì)損失27.37億元。

1509號臺風(fēng)是一個直接在寧波登陸的臺風(fēng)，對寧波當(dāng)?shù)赜绊戄^大，因此可以更好的驗(yàn)證本模型的精確性。圖8給出了1509號臺風(fēng)期間，毛礁、湖頭渡、西澤和大目涂實(shí)測和模擬潮位過程線。

表1 模擬與實(shí)測最高水位比較

a)毛礁站

b)湖頭渡站圖8 1509號臺風(fēng)期間潮位模擬值與實(shí)測值比較

c)西澤站

d)大目涂站續(xù)圖8 臺風(fēng)1509期間潮位模擬值與實(shí)測值比較

通過典型臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程的模擬計算可以看出，該耦合模型較好地重現(xiàn)了歷次臺風(fēng)的發(fā)生過程，模擬值和實(shí)測值的平均絕對誤差為10.16 cm，平均相對誤差為3.68%。根據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》，平均相對誤差在15%以內(nèi)，且平均絕對誤差控制在20 cm以內(nèi)，說明本文所建立的寧波沿海精細(xì)化天文潮、風(fēng)暴潮耦合模型是可靠的。

3 模型應(yīng)用

上文建立的精細(xì)化耦合數(shù)值模型驗(yàn)證結(jié)果良好，現(xiàn)已將其集成于寧波沿海的風(fēng)暴潮精細(xì)化預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)中。本模型在系統(tǒng)中運(yùn)算時由大范圍模型實(shí)時對小范圍模型提供邊界條件，來提高模型運(yùn)算的時效性。該預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫作為各類信息的存儲倉庫，以GIS作為可視化平臺，以天文潮自動分潮優(yōu)化預(yù)報和風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模型為核心，根據(jù)預(yù)報作業(yè)的業(yè)務(wù)流程，搭建專業(yè)應(yīng)用平臺。主要包括：二維場景、三維場景、沿海實(shí)測潮位查詢、臺風(fēng)路徑獲取與分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、天文潮預(yù)報、臺風(fēng)風(fēng)暴潮增水預(yù)報、臺風(fēng)風(fēng)暴潮耦合預(yù)報、海塘工程安全預(yù)警、預(yù)報精度評定及成果發(fā)布、以及系統(tǒng)管理與維護(hù)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)寧波沿海潮汐、風(fēng)暴潮日?；?、業(yè)務(wù)化預(yù)報。

系統(tǒng)的專業(yè)性和多樣性可以滿足不同層次的技術(shù)和防洪決策人員進(jìn)行計算分析、信息查詢的需要，系統(tǒng)操作簡單，數(shù)據(jù)讀取直觀。該系統(tǒng)已在2016、2017年寧波沿海風(fēng)暴潮預(yù)報中成功應(yīng)用。圖9和圖10是對1601號臺風(fēng)“尼伯特”進(jìn)行試運(yùn)用中截取的綜合分析界面和毛礁站預(yù)報水位過程線。

圖9 各站預(yù)報結(jié)果綜合分析

圖10 毛礁站試報結(jié)果

4 結(jié)論

本文建立的寧波近海風(fēng)暴潮、天文潮耦合模型，涵蓋了整個寧波海域，對寧波岸線進(jìn)行了細(xì)致的勾畫，使得在近岸的風(fēng)暴潮敏感區(qū)有較高的分辨率，8場驗(yàn)證臺風(fēng)的平均絕對誤差小于20 cm，平均相對誤差小于5%，能夠更準(zhǔn)確地計算風(fēng)暴潮的整個發(fā)生過程。該數(shù)值模式基本可以滿足寧波市臺風(fēng)風(fēng)暴潮的預(yù)報預(yù)警需要，并已集成應(yīng)用于寧波沿海風(fēng)暴潮精細(xì)化預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)，可提供寧波各大水文測站的綜合水位預(yù)報，為寧波近海海域海堤預(yù)警提供技術(shù)參數(shù)，幫助安全決策人員提前采取措施減少因其帶來的損失，為寧波市經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

本模型僅能預(yù)報寧波沿海各點(diǎn)位處水位，無法進(jìn)行風(fēng)暴潮的漫灘計算，故無法對受災(zāi)范圍進(jìn)行預(yù)報。若能加入寧波沿海海塘標(biāo)高信息，對臺風(fēng)來臨時的漫灘受災(zāi)范圍進(jìn)行預(yù)報，將更有助于防災(zāi)決策。